Тема 20. Другие звездные системы. Галактики, метагалактики
Содержание
Введение. 3
1.
Представление о Вселенной. 4
2. Понятие
«галактика». 5
3. Виды
галактик. 7
4. Понятие
«метагалактика». 12
Заключение. 14
Список
литературы.. 15
Введение
Мир, Земля, Космос, Вселенная… Тысячелетиями пытливое
человечество обращало свои взгляды на окружающий мир, стремилось постигнуть
его, вырваться за пределы микромира в макромир.
Величественная картина небесного купола, усеянного мириадами
звезд, с незапамятных звезд волновала ум и воображение ученых, поэтов, каждого
живущего на Земле и зачарованного любующегося торжественной и чудной картиной,
по выражению Лермонтова.
Что есть Земля, Луна, Солнце, звезды? Где начало и где конец
Вселенной, как долго она существует, из чего состоит и где границы ее познания?
Галактики, подобно звездам, наблюдаются группами. Наша
Галактика и Туманность Андромеды входят в Местную группу галактик, размеры
которой достигают сотен тысяч парсек. Местная группа представляет собой
сравнительно небольшую систему, так как существуют скопления, содержащие сотни
и тысячи галактик. Ближайшее к нам скопление галактик находится в созвездии
Девы и насчитывает сотни крупных галактик.
В настоящее время изучение вселенной очень важно. Кроме
нашей галактики существует множество других галактик.
Цель работы рассмотреть другие звездные системы, галактики и
метагалактики.
Задачи работы рассмотреть:
1.
Представление о Вселенной
2.
Понятие «галактика»
3.
Виды галактик
4.
Понятие «метагалактика»
1. Представление о Вселенной
Изучение Вселенной, даже только известной нам её части
является грандиозной задачей. Чтобы получить те сведения, которыми располагают
современные ученые, понадобились труды множества поколений.
Вселенная бесконечна во времени и пространстве. Каждая
частичка вселенной имеет свое начало и конец, как во времени, так и в
пространстве, но вся Вселенная бесконечна и вечна так, как она является вечно
самодвижущейся материей.
Вселенная - это всё существующее. От мельчайших пылинок и
атомов до огромных скоплений вещества звездных миров и звездных систем. Поэтому
не будет ошибкой сказать, что любая наука так или иначе изучает Вселенную,
точнее, тем или иначе её стороны. Химия изучает мир молекул, физика – мир
атомов и элементарных частиц, биология – явления живой природы. Но существует
научная дисциплина, объектом исследования которой служит сама вселенная или
“Вселенная как целое”. Это особая отрасль астрономии так называемая космология.
Космология – учение о Вселенной в целом, включающая в себя теорию всей
охваченной астрономическими наблюдениями области, как части Вселенной, кстати
не следует смешивать понятия Вселенной в целом и “наблюдаемой” (видимой)
Вселенной. Во втором случае речь идет речь идет лишь о той ограниченной области
пространства, которая доступна современным методам научных исследований. С
развитием кибернетики в различных областях научных исследованиях приобрели
большую популярность методики моделирования. Сущность этого метода состоит в
том, что вместо того или иного реального объекта изучается его модель, более
или менее точно повторяющая оригинал или его наиболее важные и существенные
особенности. Модель не обязательно вещественная копия объекта. Построение
приближенных моделей различных явлений помогает нам всё глубже познавать
окружающий мир. Ни одна из моделей не может претендовать на роль точного
“слепка” Вселенной. Это говорит о необходимости углубленной разработки моделей
неоднородной и неизотронной Вселенной.
2. Понятие «галактика»
Звезды во Вселенной объединены в гигантские Звездные
системы, называемые галактиками. Звездная система. В составе которой, как
рядовая звезда находится наше Солнце, называется Галактикой.
В одном из выступлений А. Эйнштейн сказал (в 1929 г.):
"Если говорить честно, мы хотим не только узнать, как устроена, но и по
возможности достичь цели утопической и дерзкой на вид - понять, почему природа
является именно такой... В этом состоит прометеевский
элемент научного творчества".[1]
Галактики стали
предметом космогонических исследований с 20-х годов нашего века, когда была
надежно установлена их действительная природа и, оказалось, что это не
туманности, т.е. не облака газа и пыли, находящиеся неподалеку от нас, а
огромные звездные миры, лежащие от нас на очень больших расстояниях от нас.
Открытия и исследования в области космологии прояснили в последние десятилетия
многое из того, что касается предыстории галактик и звезд, физического
состояния разряженного вещества, из которого они формировались в очень далекие
времена.
Число звезд в галактике порядка 10 12 (триллиона). Млечный
путь, светлая серебристая полоса звезд опоясывает всё небо, составляя основную
часть нашей Галактики. Млечный путь наиболее ярок в созвездии Стрельца, где
находятся самые мощные облака звезд. Наименее ярок он в противоположной части
неба. Из этого нетрудно вывести заключение, что солнечная система не находится
в центре Галактики, который от нас виден в направлении созвездия Стрельца. Чем
дальше от плоскости Млечного Пути, тем меньше там слабых звезд и тем менее
далеко в этих направлениях тянется звездная система. В общем, наша Галактика
занимает пространство, напоминающее линзу или чечевицу, если смотреть на нее
сбоку. Размеры Галактики были намечены по расположению звезд, которые видны на
больших расстояниях. Это цефиды и горячие гиганты.
Диаметр Галактики примерно равен 3000 пк (Парсек (пк) – расстояние, с которым большая полуось земной орбиты,
перпендикулярная лучу зрения, видна под углом в 1о”. Парсек = 3,26 светового года = 206265 а. е. =
3*10 13 км.) или 100000 световых лет (световой год – расстояние пройденное
светом в течение года), но четкой границы у нее нет, потому что звездная
плотность постепенно сходит на нет.[2]
В центре галактики расположено ядро диаметром 1000-2000 пк – гигантское уплотненное скопление звезд. Оно находится
от нас на расстоянии почти 10000 пк (30000 световых
лет) в направлении созвездия Стрельца, но почти целиком скрыто плотной завесой
облаков, что препятствует визуальным и фотографическим обычным наблюдениям
этого интереснейшего объекта Галактики. В состав ядра входит много красных
гигантов и короткопериодических цефид.
Звезды верхней части главной последовательности а особенно
сверхгиганты и классические цефиды, составляют более
молодые население. Оно располагается дальше от центра и образует сравнительно
тонкий слой или диск. Среди звезд этого диска находится пылевая материя и
облака газа. Субкарлики и гиганты образуют вокруг ядра и диска Галактики
сферическую систему. Масса нашей галактики оценивается сейчас разными
способами, равна 2*1011 масс Солнца (масса Солнца равна 2*1030
кг.) причем 1/1000 ее заключена в межзвездном газе и пыли. Масса Галактики в
Андромеде почти такова же, а масса Галактики в Треугольнике оценивается в 20
раз меньше. Поперечник нашей галактики составляет 100000 световых лет. Путем
кропотливой работы московский астрономом В. В. Кукарин
в 1944 г. нашел указания на спиральную структуру галактики, причем оказалось,
что мы живем между двумя спиральными ветвями, бедном звездами.
В некоторых местах на небе в телескоп, а кое-где даже
невооруженным глазом можно различить тесные группы звезд, связанные взаимным
тяготением, или звездные скопления.
3. Виды галактик
Существует два вида звездных скоплений: рассеянные и
шаровые.
Рассеянные скопления состоят обычно из десятков или сотен
звезд главной последовательности и сверхгигантов со слабой концентрацией к
центру.
Шаровые же скопления состоят обычно из десятков или сотен
звезд главной последовательности и красных гигантов. Иногда они содержат
короткопериодические цефеиды. Размер рассеянных скоплений – несколько парсек.
Пример их скопления Глады и Плеяды в созвездии Тельца. Размер шаровых скоплений
с сильной концентрацией звезд к центру – десяток парсек. Известно более 100
шаровых и сотни рассеянных скоплений, но в Галактике последних должно быть
десятки тысяч.
Кроме звезд в состав Галактики входит еще рассеянная
материя, чрезвычайно рассеянное вещество, состоящее из межзвездного газа и
пыли. Оно образует туманности. Туманности бывают диффузными (клочковатой формы)
и планетарными. Светлые они от того, что их освещают близлежащие звезды.
Пример: газопылевая туманность в созвездии Ориона и темная пылевая туманность
Конская голова.
Внешний вид галактик чрезвычайно разнообразен, и некоторые
из них очень живописны. Эдвин Пауэлла
Хаббл (1889-1953) , выдающийся американский астроном – наблюдатель, избрал
самый простой метод классификации галактик по внешнему виду, и нужно сказать,
что хотя в последствии другими выдающимися исследователями были внесены
разумные предположения по классификации, первоначальная система, выведенная
Хабблом, по прежнему остаётся основой классификации галактик.
Хаббл предложил разделить все галактики на 3 вида:
1. Эллиптические – обозначаемые Е (elliptical);
2. Спиральные (Spiral);
3. Неправильные – обозначаемые I (irregular).
Эллиптические галактики внешне невыразительные. Они имеют
вид гладких эллипсов или кругов с постепенным круговым уменьшением яркости от
центра к периферии. Ни каких дополнительных частей у них нет, потому что
Эллиптические галактики состоят из второго типа звездного населения. Они
построены из звезд красных и желтых гигантов, красных и желтых карликов и
некоторого количества белых звезд не очень высокой светлости. Отсутствуют
бело-голубые сверхгиганты и гиганты, группировки которых можно наблюдать в виде
ярких сгустков, придающих структурность системе, нет пылевой материи которая, в
тех галактиках где она имеется, создаёт темные полосы, оттеняющие форму
звездной системы.
Внешне эллиптические галактики отличаются друг от друга в
основном одной чертой – большим или меньшим сжатием (NGG и 636, NGC 4406, NGC
3115 и др.) С несколько однообразными эллиптическими галактиками контрастируют
спиральные галактики являющиеся может быть даже самыми живописными объектами во
Вселенной. У эллиптических галактик внешний вид говорит о статичности,
стационарности Спиральные галактики наоборот являют собой пример динамики
формы. Их красивые ветви, выходящие из центрального ядра и как бы теряющие
очертания за пределами галактики, указывает на мощное стремительное движение.
Поражает также многообразие форм и рисунков ветвей. Как правило, у галактики
имеются две спиральные ветви, берущие начало в противоположных точках ядра,
развивающимися сходным симметричным образом и теряющая в противоположных
областях периферии, галактики. Однако известны примеры большего, чем двух числа
спиральных ветвей в галактике. В других случаях спирали две, но они неравны –
одна значительно более развита чем вторая. Примеры спиральных галактик: М31,
NGC 3898, NGC 1302, NGC 6384, NGC 1232 и др.
Перечисленные мною до сих пор типы галактик
характеризовались симметричностью форм определенным характером рисунка. Но
встречаются большое число галактик неправильной формы. Без какой-либо
закономерности структурного строения. Хаббл дал им обозначение от английского
слова irregular – неправильные.
Неправильная форма у галактики может быть, в следствии того,
что она не успела принять правильной формы из-за малой плотности в ней материи
или из-за молодого возраста. Есть и другая возможность: галактика может стать
неправильной в следствии искажения формы в результате взаимодействия с другой
галактикой. По видимому эти оба случая встречаются среди неправильных галактик
и может быть с этим связанно разделение неправильных галактик на 2 подтипа.
Подтип II характеризуется сравнительно высокой поверхностью,
яркостью и сложностью неправильной структуры (NGM 25744, NGC 5204) .
Французский астроном Вакулер в некоторых галактиках
этого подтипа, например Магеллановых облаках, обнаружил признаки спиральной
разрушенной структуры. Неправильные галактики другого подтипа обозначаемого I
II, отличаются очень низкой поверхностью и яркостью. Эта черта выделяет их из
среды галактик всех других типов. В то же время она препятствует обнаружению
этих галактик, вследствие чего удалось выявить только несколько галактик
подтипа I II расположенных сравнительно близко (галактика в созвездии Льва). Только
3 галактики можно наблюдать невооруженным глазом, Большое Магелланово облако,
Малое Магелланово облако и туманность Андромеды. В таблицы приведены данные о
десяти ярчайших галактиках неба. (БМО, ММО – Большое Магелланово облако и Малое
Магелланово облако).
Не вращающаяся звездная система по истечении некоторого
срока должна принять форму шара. Такой вывод следует из теоретических
исследований. Он подтверждается на примере шаровых скоплений, которые вращаются
и имеют шарообразную форму. Если же звездная система сплюснута, то это
означает, что она вращается. Следовательно, должны вращаться и эллиптические
галактики, за исключением тех, из них, которые шарообразны, не имеют сжатия.
Вращение происходит вокруг оси, которая перпендикулярна главной плоскости
симметрии. Галактика сжата вдоль оси своего вращения. Впервые вращение галактик
обнаружил в 1914 г. американский астроном Слайфер.
Особый интерес представляют галактики с резко повышенной
светимостью. Их принято называть радиогалактиками. Наиболее выдающаяся
галактика Лебедь. Это слабая двойная галактика с чрезвычайно тесно
расположенными друг к другу компонентами, являющимися мощнейшим дискретным
источником. Объекты подобные галактике Лебедь безусловно очень редки в
метагалактике, но Лебедь не единственный объект подобного рода во Вселенной.
Они должны находиться на громадном расстоянии друг от друга (более 200Мпс). Поток
проходящего от них радиоизлучения в виду большого расстояния слабее, чем от
источника Лебедь. Несколько ярких галактик, входящих в каталог NGC, также
отнести к разряду радиогалактик, потому что их радиоизлучение аналогично
сильное, хотя оно значительно уступает по энергии световому. Из этих галактик
NGC 1273, NGC 5128, NGC 4782 и NGC 6186 являются двойными. Одиночные NGC 2623 и
NGC 4486. Часто галактики встречаются в пространстве парами и более крупными
группами, иногда в виде скоплений, содержащих сотни галактик.[3]
Наша галактика с Магеллановыми Облаками и с другими
ближайшими галактиками составляют, вероятно, также отдельное местное скопление
галактик. Магеллановы облака и наша галактика, по-видимому, погружены в общее
для них водородное облако. Группы и скопления разнообразны по типам входящих в
них галактик. Иногда в них входят только спиральные и неправильные, иногда -
только эллиптические галактики, иногда же - и те, и другие. Ближайшими к нам
являются разряженное облако галактик в Большой Медведице и неправильные
скопления в созвездии Девы. Оба содержат галактики всех типов. Очень богатое и
компактное скопление галактик Е и So, находящиеся в
созвездии Волос Вероники, насчитывает тысячи членов. Светимости и размеры
галактик весьма разнообразны.
Галактики - сверхгиганты имеют светимости, в 10 раз
превышающие светимость Солнца, квазары в среднем еще в 100 раз ярче; слабейшая
же из известных галактик - карликов сравнимы с обычными шаровыми звездными
скоплениями в нашей галактике. Их светимость составляет около 10 светимости
солнца. Размеры галактик весьма разнообразны и колеблются от десятков парсек до
десятков тысяч парсек. Известно около 1.5 тысяч ярких галактик (до 13-ой
звездной величины). Такие галактики отличаются от слабейших звезд лишь легкой
размытостью изображения. Галактика состоит из множества звезд различных типов,
а также звездных скоплений и ассоциаций, газовых и пылевых туманностей и
отдельных атомов и частиц, рассеянных в межзвездном пространстве. Большая часть
их занимает объем линзообразной формы поперечником около 30 и толщиной около 4
килопарсек. Меньшая часть заполняет почти сферический объем с радиусом около 15
килопарсек (около 50 тысяч световых лет).
Все компоненты галактики связаны в единую динамическую
систему, вращающуюся вокруг малой оси симметрии. Земному наблюдателю,
находящемуся внутри галактики, она представляется в виде Млечного Пути и всего
множества отдельных звезд, видимых на небе. Вблизи линии пересечения этой
плоскости с небесной сферой и виден Млечный Путь, средняя линия которого
представляет собой почти большой круг, так как Солнечная система находится
недалеко от этой плоскости. Млечный Путь представляет собой скопление огромного
количества звезд, сливающихся в широкую белесую полосу; однако, звезды,
проектирующиеся на небе рядом, удалены друг от друга в пространстве на огромные
расстояния, исключающие их столкновения, несмотря на то, что они движутся с
большими скоростями в направлении полюсов галактики. Общее количество звезд в
галактике оценивается в 100 миллиардов.
4. Понятие «метагалактика»
Возникли два мнения по поводу состояния Метагалактики до
начала расширения. Согласно одному из них первоначальное вещество метагалактики
состояло из “холодной” смеси протонов, т.е. ядер атомов водорода, электронов и
нейтронов. Согласно второй, температура была очень велика, а плотность
излучения даже превосходила плотность вещества. Но после открытия в 1965 г.
реликтового излучения А. Тицнасом и Р. Вилсоном предпочтение было отдано второй теории. После была
представлена попытка представить ход событий на первых стадиях расширения
Метагалактики: через 1с после начала расширения сверхплотной исходной плазмы
плотность вещества снизилась до 500 кг/ см3, а t=10-13о С.
В течение следующих 100с плотность снизилась до 50 г/см2 температура
упала. Объединились протоны и нейтроны => ядра гелия. При t=4000о,
это продолжалось несколько сотен тысяч лет. Затем, после того, как образовались
атомы водорода, началось постепенное формирование горячих водородных облаков,
из которых образовались галактики и звезды. Однако в процессе расширения могли
сохраниться сгустки сверхплотного до звездного вещества, а в процессе их
распада образовались звезды и галактики. Не исключено, что действовали оба
механизма. Понятие Метагалактика не является вполне ясным. Оно сформировалось
на основании аналогии со звездами. Наблюдения показывают, что галактики,
подобно звездам, группирующиеся в рассеянные и шаровые скопления, также
объединяются в группы и скопления различной численности.
Вся охваченная современными методами астрономических
наблюдений часть Вселенной называется Метагалактикой (или нашей Вселенной). В
Метагалактике пространство между галактиками заполнено чрезвычайно разряженным
межгалактическим газом, пронизывается космическими лучами, в нем существуют
магнитные и гравитационные поля, и возможно невидимые массы веществ.[4]
От наиболее удаленных метагалактических объектов свет идет
до нас много миллионов лет. Но все-таки нет оснований утверждать, что
метагалактика это вся вселенная. Возможно существуют др., пока не известные нам
метагалактики.
В 1929 г. Хаббл открыл замечательную закономерность, которая
была названная “законом Хаббла” или “закон красного смещения”: линии галактик
смещенных к красному концу, причем смещение тем больше, чем дальше находится
галактика.[5]
Объяснив красные смещения эффектом Доплера. Ученые пришли к
выводу о том, что расстояние между нашей и другими галактиками непрерывно
увеличивается. Хотя безусловно галактики не разлетаются во все стороны от нашей
галактики, которая не занимает никакого особого положения в метагалактике, а
происходит взаимное удаление всех галактик. Следовательно, Метагалактика не
стационарна.
Открытие расширения метагалактики свидетельствует о том, что
в прошлом метагалактика была не такой как сейчас и иной станет в будущем, т.е.
метагалактика эволюционирует.
По красному смещению определены скорости удаления галактик.
У многих галактик они очень велики, соизмеримы со скоростью света. Самым
большими скоростями (более 250 000 км/с) обладают некоторые квадры,
которые считаются самыми удаленными от нас объектами Метагалактики.
Мы живем в расширяющейся Метагалактики; расширение
метагалактики проявляется только на уровне скоплений и сверхскоплений галактик.
Метагалактика имеет одну особенность: не существует центра, от которого
разбегаются галактики. Удалось вычислить промежуток времени с начала расширения
метагалактики.
Заключение
Наши дни с полным основанием называют золотым веком
астрофизики замечательные и чаще всего неожиданные открытия в мире звезд
следуют сейчас одно за другим.
Солнечная система стала последнее время предметом прямых
экспериментальных, а не только наблюдательных исследований. Полеты межпланетных
космических станций, орбитальных лабораторий, экспедиции на Луну принесли
множество новых конкретных знаний о Земле, околоземном пространстве, планетах,
Солнце.
Мы живем в эпоху поразительных научных открытий и великих
свершений. Самые невероятные фантазии неожиданно быстро реализуются. С давних
пор люди мечтали разгадать тайны Галактик, разбросанных в беспредельных
просторах Вселенной. Приходится только поражаться, как быстро наука выдвигает
различные гипотезы и тут же их опровергает. Однако астрономия не стоит на
месте: появляются новые способы наблюдения, модернизируются старые.
С изобретением радиотелескопов, например, астрономы могут
заглянуть на расстояния, которые еще в 40-x. годах ХХ столетия казались
недоступными. Однако надо себе ясно представить огромную величину этого пути и
те колоссальные трудности, с которыми еще предстоит встретится на пути к
звездам.
В настоящее время идет очень активное изучение различных
галактик, поиск жизни в них. Эти исследования очень важны.
Список литературы
1. Агекян Т. А.Звезды, галактики, Метагалактика, М.: Наука,
2000.-521с.
2. Казютинский В. В. Вселенная Астрономия, Философия, М.: ИНФРРА,
2002.-634с.
3. Комаров
В. Н. Увлекательная астрономия. М.: Наука, 2000.-448с.
4. Левитан
С. П. Астрономия, М.: Просвещение, 2001.-560с.
5. Новиков
И. Д. Эволюция Вселенной, М.: ИНФРА, 2003.-498с.
[1]
Новиков И. Д. Эволюция Вселенной, М.: ИНФРА, 2003.-156с.
[2]
Левитан С. П. Астрономия, М.: Просвещение, 2001.-227с.
[3] Казютинский В. В. Вселенная Астрономия, Философия, М.:
ИНФРРА, 2002.-233с.
[4] Агекян Т. А.Звезды, галактики, Метагалактика, М.: Наука,
2000.-173с.
[5]
Комаров В. Н. Увлекательная астрономия. М.: Наука, 2000.-133с.